鋁、錳復(fù)合脅迫對向日葵幼苗葉綠素及膜脂過氧化的影響

陸全杰 梁程 黃世文 曾小飚 黃開騰 張肅杰

摘 要：采用砂培試驗，研究不同濃度的鋁、錳復(fù)合脅迫（Al 0mg/L+Mn 0mg/L;Al 25mg/L+Mn 20mg/L;Al 50mg/L+Mn 50mg/L;Al 100mg/L+Mn 100mg/L;Al 200mg/L+Mn 200mg/L;Al 400mg/L+Mn 300mg/L）對向日葵幼苗葉片葉綠素含量及細胞膜脂過氧化的影響。結(jié)果表明：隨著鋁、錳復(fù)合脅迫濃度的增加，向日葵幼苗葉片葉綠素的含量表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，在Al 50mg/L+Mn 50mg/L時達到最大值;MDA含量隨鋁錳復(fù)合脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，各處理MDA含量均高于對照，在Al 100mg/L+Mn 100mg/L時達到峰值。

關(guān)鍵詞：向日葵;鋁錳復(fù)合脅迫;葉綠素;膜脂過氧化

中圖分類號 S727.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2021）21-0027-03

通常把密度在4.0g/cm3以上的金屬元素稱為重金屬，包括Hg、Cd、Pb、Zn等60種。環(huán)境受到生物毒性顯著的Hg、Cd、Cr、Pb等或含有毒性的Zn、Cu、Co、Ni等重金屬造成的污染即是重金屬污染[1-2]。重金屬在環(huán)境中的首要儲存場所就是土壤。歐洲共同體在20世紀70年代發(fā)布的統(tǒng)計報告中指明，人類排放的大部分重金屬最終進入土壤[3]。據(jù)統(tǒng)計，2017年全國排放的Hg、Cd、Pb、Cr等重金屬達182.54t。因為土壤受到了重金屬的污染，使得全國糧食每年至少損失1000萬t，直接造成了200多億元的經(jīng)濟損失[4]。重金屬通過農(nóng)作物的生長進入農(nóng)作物體內(nèi)，再通過飲食進入人體，從而帶來嚴重后果。傳統(tǒng)的土壤污染治理容易造成土壤微生物和結(jié)構(gòu)的損壞，且治理成本高，不是修復(fù)重金屬污染土壤的最優(yōu)解。植物修復(fù)方法與其他方法相比，具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)、無二次污染、成本低廉等優(yōu)點，如何利用植物修復(fù)技術(shù)對治理重金屬污染這一研究方向有著巨大的潛力。

向日葵（Helianthus annuus L.）是菊科向日葵屬的一年生草本植物。已有研究發(fā)現(xiàn)，向日葵對某些重金屬污染有較好的抵御作用，是土壤重金屬污染植物修復(fù)的優(yōu)良選擇[5-6]。本試驗通過不同濃度鋁、錳復(fù)合脅迫探究鋁、錳復(fù)合污染對向日葵幼苗葉片葉綠素及膜脂過氧化的影響，以期為種植向日葵修復(fù)土壤重金屬污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗使用的向日葵品種為亞太二號F1，購自北京亞太農(nóng)業(yè)有限公司。

1.2 向日葵幼苗培養(yǎng)與脅迫試驗 選用飽滿、品質(zhì)優(yōu)良的向日葵種子，用高錳酸鉀浸泡5min消毒，再用蒸餾水沖洗3次，然后將向日葵撒在干凈的育苗盤上，放入人工氣候箱中，在（28±2）℃條件下萌發(fā)。選擇發(fā)芽狀況良好的種子，用蒸餾水沖洗2～3次，然后放入裝有砂礫的培養(yǎng)杯中培養(yǎng)，每天澆灌霍格蘭培養(yǎng)液。培養(yǎng)14d后，選擇長勢相仿的幼苗分為6組進行脅迫試驗，分組編號及脅迫濃度如表1所示，脅迫10d后取葉片進行葉綠素及丙二醛（MDA）的含量測定。試驗做3次重復(fù)。

1.3 生理指標測定方法 葉綠素含量的測定參考《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》[7]。丙二醛（MDA）的含量選用硫代巴比妥酸法來測定[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁、錳復(fù)合脅迫對向日葵幼苗葉片葉綠素含量的影響 葉綠素是植物體進行光合作用的色素之一，其含量可直接反映植物光合作用能力的強弱。植物的光合作用能力變?nèi)酰瑫斐芍参秕r重明顯下降[8-9]。由圖1可知，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量總體表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T1～T2時，向日葵幼苗葉片的葉綠素表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，當(dāng)鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T2時達到最大值，是對照的110.97%，當(dāng)鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T1時是對照的104.81%;鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T2～T5時，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，且濃度在T3～T5時，葉綠素含量整體比對照T0的要低，當(dāng)鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T5時達到最小值，僅是對照的77.32%。另外，向日葵體內(nèi)的葉綠素a和葉綠素b含量也表現(xiàn)出先增多后減少的變化趨勢。鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T1～T2時，其葉綠素表現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢，且各濃度中向日葵幼苗中的葉綠素a和葉綠素b含量整體比對照T0的要高，都在鋁錳復(fù)合脅迫濃度為T2時達到最大值;鋁錳復(fù)合脅迫濃度在T3～T5時，向日葵幼苗中的葉綠素a和葉綠素b含量表現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢，且各濃度向日葵幼苗中的葉綠素整體比對照T0的要低。由此可見，不同濃度的鋁錳復(fù)合脅迫對向日葵合成的葉綠素有一定程度的影響。

2.2 鋁錳復(fù)合脅迫對向日葵幼苗膜脂過氧化的影響 在植物生理研究中，丙二醛（MDA）的含量是一項重要檢測指標。植物體處于逆境條件下時，細胞質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸會很容易發(fā)生過氧化反應(yīng)，過氧化反應(yīng)的最終產(chǎn)物是MDA。MDA會對生物膜造成一定的損傷，造成生物膜的選擇透過性功能逐漸喪失，通透性增大。通過MDA的含量變化可以預(yù)測植物的衰老程度或是在逆境中受到毒害的程度[10]。由圖2可知，隨著鋁錳復(fù)合脅迫液濃度的增加，細胞質(zhì)膜過氧化反應(yīng)不斷加劇，向日葵幼苗葉片的MDA含量呈現(xiàn)先升高后下降的規(guī)律，而且各個處理都高于T0（對照）。在T1～T5的處理下，MDA含量分別增加了11%、39%、111%、89%、28%，這是植物適應(yīng)環(huán)境的一種正常表現(xiàn)，表明向日葵幼苗受到了鋁錳重金屬的毒害作用。在T3處理時，MDA含量達到最高，比對照多出111%，此時的過氧化反應(yīng)也達到了最大。隨著脅迫液濃度的繼續(xù)增加，MDA含量開始下降，說明隨著重金屬毒害的加深，向日葵植物細胞中滲透勢遭到了破壞，膜脂過氧化反應(yīng)受到一定程度的影響。

3 結(jié)論與討論

植物體處于重金屬污染、鹽漬、干旱等環(huán)境中時，植物體會表現(xiàn)出一定的抗逆性，可根據(jù)其生理生化指標的變化來研究植物的抗逆機理。葉綠素是植物體進行光合作用必要的色素之一，葉綠素含量直接反映植物光合作用能力的強弱，同時葉綠素含量的變化也是植物體植物組織、器官的衰老狀況在逆境脅迫下的表現(xiàn)[11]。本研究發(fā)現(xiàn)向日葵幼苗在受到鋁錳復(fù)合脅迫的情況下，其葉綠素含量表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，說明低濃度的鋁錳復(fù)合污染對向日葵幼苗的葉綠素合成是有促進效果的，但隨著鋁錳復(fù)合脅迫濃度的逐漸升高，葉綠素含量在達到最高值后開始下降。葉綠素含量的減少，一方面可能是由于植物體吸收Al3+后，Al3+會與葉綠素以某種方式與葉綠素合成酶結(jié)合導(dǎo)致酶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，或者是因為細胞吸收Al3+后改變細胞膜的結(jié)構(gòu)，從而使得葉綠素含量減少[12];另一方面原因可能是植物體吸收了過量的Mn2+，抑制了細胞對Fe3+和Mg2+的吸收，使得葉綠素的合成受到阻礙，并且植物體內(nèi)的葉綠素會因為細胞吸收了過量的Mn2+導(dǎo)致結(jié)構(gòu)遭到損壞，進而影響到葉綠素的合成導(dǎo)致葉綠素含量降低。當(dāng)植物處在逆境條件下時，植物會通過改變體內(nèi)的理化性質(zhì)，使植物體內(nèi)各物質(zhì)的含量都發(fā)生改變，最終直接或者間接地影響植物體內(nèi)葉綠素的含量。

通過測定MDA含量的變化可以預(yù)測細胞膜脂過氧化反應(yīng)程度，間接預(yù)測出細胞受重金屬毒害的程度。本研究中，MDA含量開始隨著脅迫液濃度的增加而增加。在低濃度重金屬脅迫時，增加量并不明顯，表明低濃度的鋁錳對植物造成的毒害影響較小，濃度在Al 100mg/L+Mn 100mg/L時MDA含量達到最大值，此時應(yīng)該是植物體內(nèi)積累了大量的活性氧自由基，從而加大膜脂過氧化反應(yīng)，生成大量MDA，使細胞通透性改變。之后繼續(xù)增加脅迫液濃度，MDA增加量開始慢慢變少。這可能是由于脅迫液濃度的增加刺激了植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)，使得其活性增大，提高了植物體內(nèi)清除活性氧自由基的能力，增強了植物修復(fù)氧傷害的能力，從而使得丙二醛含量下降[13]。

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（責(zé)編：徐世紅）